（船舶与海洋结构物设计制造专业论文）自升式海洋平台设计方案评价体系研究.pdf

大连理工大学硕士研究生学位论文 摘要 二十一世纪是海洋的世纪，目前，由于海洋存在大量的石油和天然气，为了适应能 源的需求，全世界很多国家都致力于海洋平台的研究。欧美的一些国家对海洋平台的研 究已经有一段历史，而我国对海洋平台的设计研究却还处于一个起步阶段。因此，本文 就海洋平台的一些性能校核结合相关的规范作出了一定的研究，并将其中的一些部分进 行了软件实现。 由于世界各大船级社提出的对于海洋平台设计建造的相关规范不尽相同，所以能否 提出一种通用性的设计标准，一直是长期以来大家所关心的话题。根据可查阅的文献资 料，目前国内还没有提出一种适合于自升式海洋平台的评价软件。在实际的设计过程中， 由于需要对一些参数进行修改，每一次的改动，都需要对其重新进行性能等方面的校核， 如果进行手工的运算，那就需要付出很大的工作量，基于以上因素的考虑，如果有一种 通用的标准并且将其程序化，那就可以大大减少平台设计人员的工作量，本文的第一部 分就是对s n a m e 组织提出的一套海洋平台的评价体系做出了研究，并且对其中的桩腿强 度、抗倾稳性、抗滑稳性的校核部分进行了软件实现。 常规船舶由于其长宽比比较大，所以在校核稳性的时候通常只考虑到横稳性，而将 纵稳性忽略。而海洋平台的长宽比则相对比较小，因此在考虑稳性的时候，如果只考虑 到个方向的稳性，那计算的结果将将会不准确，而目前国内平台的稳性校核，基本都 是按照单一的倾斜方向进行校核的。基于以上事实，本文也就自升式海洋平台的空间稳 性进行了研究，并将其程序化，对于甲板入水前的稳性，进行计算，并结合m a t l a b ，绘 制稳性曲面。空间稳性曲面绘制软件的开发，将对今后海洋平台稳性校核提供更可靠的 方法。 作者在编程方面做了以下几个方面的工作； ( 1 ) 结合s n a m e 提供的评价体系，编制了自升式海洋平台桩腿长度校核程序。 ( 2 ) 结合s n a m e 提供的评价体系，编制了自升式海洋平台抗倾能力校核程序。 ( 3 ) 结合s n a m e 提供的评价体系，编制了自升式海洋平台抗滑能力校核程序。 ( 4 ) 在研究自升式海洋平台的稳性基础上，编制了自升式海洋平台空间稳性的计算 程序。 ( 5 ) 根据空间稳性计算程序的输出结果，利用m a t l a b ，绘制空间稳性曲面。 关键词：自升式海洋平台；桩腿长度；抗倾能力；抗滑能力；空间稳性 周煜：白升式海洋平台设计方案评价体系研究 r e s e a r c ho nt h es o f t w a r eo fj a c ku pe s t i m a t i o n a b s t r a c t d u r i n gt h e2 1 “c e n t u r y ， o c e a ne n g i n e e r i n gi sd e v e l o p i n gr a p i d l y n o w a d a y s ，b e c a u s eo f t h eh u g es t o r a g eo f t h ep e t r o l e u ma n dn a t u r a lg a si nt h eo c e a n ，m o r e a n dm o r ec o u n t r i e sb e g i nt os e a r c ht h e mi no r d e rt os e r v et h e i re c o n o m y ，s o m e e u r o p e a n c o u n t r i e sh a v es t u d i e so nt h i sf o rs e v e r a ly e a r s ，b u ti no u r c o n t u r y ，f e w j o b sh a v eb e e nd o n e o nt h i ss u b j e c t s oi nt h i se s s a y ，t h eo u t h e ri n t r o d u c e ss o m e j a c ku p sc a p a b i l i t yc h e c k m e t h o d st ot h er e a d e r s ， a n ds o m eo f t h e ma r ep r o g r a m m e d t h e r ea r em a n yc l a s s e si nt h ew o r l d ，a n dm o s to f t h e mh a v et h e i ro w nc h e c km e t h o d s ， s oi f au n i v e r s a lc r i t e r i o nc a l lb eb r o u g h to u t ，i tw i l ls a v em u c ht i m eo f t h ed e s i g n e r s u pt i l l n o w ，o u rc o u n t r yh a sn o th a das o f t w a r eo f e s t i m a t i n gt h ed e s i g n i n gp r o j e c t d u r i n gt h e d e s i g n i n g ，s o m ep a r a m e t e r sw i l lb em o d i f i e df r o mt i m et ot i m e ，a n di tw i l ls p e n dm u c h t i m eo nc h e c k i n gt h ec a p a b i l i t i e so f t h ej a c ku pb yh a n d b u ti f w eh a v ea p r o g r a m t od ot h i s j o b ，i tw i l ls a v eu sm u c ht i m e s ot h ef i r s tp a r to f t h i se s s a yw i l lm a i n l yt e l ly o us o m e t h i n g a b o u ti t t h ep r o g r a mi sb a s e do nt h ec r i t e r i o no f s n a m e ，a n dt h el e gl e n g t he s t i m a t i o n ， o v e r t u r n i n gc a p a c i t ya n dt h es l i d i n gc a p a c i t ya r ep r o g r a m m e d 。 g e n e r a ls h i p s l br a t i oi sl a r g ee n o u g ht h a tw ec a ni g n o r et h ei n f l u e n c eo f t h e l o n g i t u d i n a ls t a b i l i t ya n do n l yc a l c u l a t et h et r a n s v e r s es t a b i l i t yo f t h es h i p b u tw h e nw e c a l c u l a t et h es t a b i l i t yo f t h e j a c ku p ，w ec a n n o ti g n o r et h el o n g i t u d i n a ls t a b i l i t y b e c a u s eo f i t s s m a l li d 1 3r a t i o b u ti no u r c o u n t r y ，l o n g i t u d i n a ls t a b i l i t yi ss e l d o mc a l c u l a t e dd u r i n g t h ed e s i g n i n gp r o j e c t s oi ti sv e r yi m p o r t a n tt om a k eap r o g r a mt oc a l c u l a t et h ew h o l e s t a b i l i t y o f t h e j a c k u p ，a n d i f i t i s p r o g r a m m e d ，t h e c a l c u l a t i o n w i l l b e m o r ea c c u r a t e t h e s e c o n dp a r to f t h i se s s a yw i l lt e l ly o us o m e t h i n ga b o u tt h i sp r o g r a m ，a n da tl a s tt h eo u t h e r u s em a t l a bt om a k ear i g h tl i f tb a s e do nt h ec a l c u l a t i o n t h ea u t h o rh a sp r o g r a m m e di nt h ee s s a yw i t hm a t l a ba st h ep l a t f o r m ，v i s u a l b a s i c 6 0a sp r o g r a m m i n gt o o l ，a sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h el e gl e n g t hc h e c kp r o g r a mb a s eo nt h ec r i t e r i o no f s n a m e ( 2 ) t h eo v e r t u r n i n gc a p a c i t yc h e c kp r o g r a mb a s eo nt h ec r i t e r i o no fs n a m e ( 3 ) t h es l i d i n gc a p a c i t yc h e c kp r o g r a mb a s eo nt h ec r i t e r i o no f s n a m e ( 4 ) t h ew h o l es t a b i l i t yp r o g r a mb a s eo nt h ej a c ku p ( 5 ) t h er i g h t1 i f tm a d eb ym a t l a b 大连理，i ：人学硕十研究生学位论文 k e yw o r d s ：j a c ku p ； i e gi a n g t h ；o v e r t u r n i n gs t a b iii t y ；s ii d in gs t a b iii r ye r i g h t ii f t 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名： 大连理工火学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：闻班 导师签名：竖丛 塑! 年j 三月三兰_ e t 火连理i 大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 海洋平台的分类 海洋平台是一种用于海洋石油勘探和开采的海洋结构物。随着海运、海防、海洋开 发事业的发展，各类海洋工程设施应运而生。海洋平台的分类如下： 厂坐底式平台 l 自升式海洋平台 r 移动式平台1 钻井船 j。半潜式平台 海洋平台i l 固定式平台张力腿式平台 l 牵索塔式平台 1 1 1 移动式海洋平台 移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可 用于海上石油的钻探和生产。 ( 1 ) 坐底式海洋平台 坐底式平台又叫钻驳或插桩钻驳，适用于河流和海湾等3 0 米水深以下的浅水域。 坐底式平台有两个船体，上船体又叫做工作甲板，安置生活舱室和设备，通过尾部开口 借助悬臂结构钻井；下部是沉垫，其主要功能是压载以及海底支撑作用，用作钻井的基 础。两个船体间由支撑结构相连。这种钻井装置在到达作业地点以后往沉垫内注水，使 其座底。因此从稳性和结构方面来看，作业水深不但有限。而且也受到海底基础( 平坦 及结实程度) 的制约。所以这种平台发展缓慢。 然而我国渤海沿岸的胜利油田、大港油田和辽河油田等向海中延伸的浅海海域，潮 差大而海底坡度小，对于开发这类浅海区域的石油资源，坐底式平台仍有很大的发展前 途。 8 0 年代初，人们开始注意北极海域的石油开发，设计、建造极区坐底式平台也引起 海洋工程界的关注。目前已经有几座海洋平台用于极区，它们可加压载坐于海底，然后 在平台中央填砂石以防止平台的滑移，完成钻井后可排出压载起浮，并移动至另一井位。 周煜：自升式海洋平台设计方案评价体系研究 对于三角形坐底式平台，平台由三个粗立柱与多个细圆柱组成，每个大立柱下部都 有一个短形箱体。对于单立柱坐底式平台，平台下部由两根水平布置粗圆柱及一些细圆 柱组成一个水平框架，使平台稳稳地坐于海底。 ( 2 ) 自升式海洋平台 自于 式海洋平台又称为甲板升降式或桩腿式平台。这种石油钴采装置在高于水面的 平台上装载钻井机械、动力、器材、居住设备以及若干可升降的桩腿，钻井时桩腿着底， 平台则沿桩腿升离海面一定高度；移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就像驳船，可 由拖轮把它拖移到新的井位。自升式海洋平台的优点主要是所需要的钢材少，造价低， 在各种海况下都能平稳地进行钻井作业；缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限 制，最大的工作水深约在1 2 0 米左右。超过此水深，桩腿的重量增加很快，同时拖航时 桩腿升得很高，对平台稳性和桩腿强度都不利。 自升式海洋平台有自航、助航和非自航之分，但大多数为非自航。平台形状有三角 形平台( 三根桩腿) 、矩形平台( 一般为四根桩腿) 和五角形平台( 五根桩腿) 等。为 了在较深水域和环境恶劣的海况下工作时减少平台所受到的波流载荷，最佳的自升式海 洋平台应该是单桩腿平台。欧洲北海使用的自升式海洋平台大都是此种单桩腿的自升式 海洋平台。 ( 3 ) 钻井船 钻井船是浮船式钻井平台，它通常是在机动船或驳船上布置钻井设备。平台是靠锚 泊或动力定位系统定位。 按其推进能力，分为自航式、非自航式；按船型分，有端部钻井、舷侧钻井、船中 钻井和双体船钻井：按定位分，有一般锚泊式、中央转盘锚泊式和动力定位式。浮船式 钻井装置船身浮于海面，易受到波浪的影响，但是它可以用现有的船只进行改装，因而 能以最快的速度投入使用。 ( 4 ) 半潜式平台 为了克服上述平台存在的缺点，使之能够在深水钻井又有较高的作业效率，在1 9 6 2 年出现了第一艘半潜式平台。这种平台的基本结构形式和坐底式相似，是由坐底式演变 而来的。 半潜式和坐底式钻井装置统称为支柱稳定式钻井装置。坐沉在海底的统称为坐底式 ( 或可沉式) ，浮在水中的为半潜式。 火连理j ：人学硕十研究生学位论文 随着海洋石油开发的发展，作业海域已经延伸到更深的海域，在深海中使用受水深 限制的自升式海洋平台和坐底式平台，难以完成钻井作业，而钻井船由于在开阔的海域 摇摆大，故作业率很低。所以摇摆性能好，在相当深的海域能进行钻井作业的半潜式平 台就应运而生。这种石油钻井装置用若干根立柱或者沉箱将下部结构的沉垫浮体和上部 结构的甲板联结起来，甲板上则装备与其他形式平台一样的各种机器、器材及居住设备。 半潜式平台有三角形、矩形、五角形和“v ”字形之分。三角形半潜式平台以美国 “赛德柯”型为代表，矩形半潜式平台以挪威“阿克”h 型或目本的“自龙”型为代表， 五角形半潜式平台以法国设计制造的带五个浮箱的“五角8 l ”、“五角8 2 ”、“五角8 3 ” 为代表。 半潜式平台可采用锚泊定位和动力定位，锚泊定位的半潜式平台一般用于2 0 0 米至 5 0 0 米水深的海域内作业。 ( 5 ) 牵索塔式平台 牵索塔式平台得名于它支撑平台的结构和一桁架式的塔，该塔用对称布置的缆索将 塔保持正浮状态。在平台上可进行通常的钻井与生产作业。原油一般是通过管线运输， 在深水中可用近海装油设旋进行输送。埃克逊技术公司曾为欧洲北海3 5 0 米水深的环境 设计牵索塔，该塔具有面积为3 6 5 平方米的四方形剖面的塔式结构，整个长度的剖面 都一样，其一端承载平台设备，另一端停放在称为桩腿筒的竖向承载基础上，有1 6 根 桩腿，另有1 0 8 厘米的钢缆2 4 根作为导引索系统，每根钢缆通过旋转接头直到海底， 分别与1 6 5 吨重的水泥块和1 4 米长的桩连接拉紧。桩的分布半径约有1 0 0 0 米，油井 导管穿过桩腿筒，整个系统可容纳3 0 个油井导管。塔是顺应式的，能随波浪力的影响 稍微移动，其系泊系统能对塔提供足够的复原力，使它始终保持垂直状态。设计时允许 塔的倾斜度在2 度以内。 牵索塔式平台在波浪载荷的作用下的动态响应数值分析指出，其桩基处的弯矩比塔 的其他部分要小得多，整个系统上的水平力也主要由系缆系统承受。从其恢复力与塔的 偏离平衡位置的关系曲线可以看出，当塔的偏离增大到一定程度时，系在牵索上原来固 定在缆索上而沉于海底的重块被提起离开海底，从而使得索内的张力增加而变得缓慢， 亦即比重块未被提起时吸收更多的能量。这样在遇到大幅值长周期的风暴波时，系统变 软，更大的顺应性出现。由于这些优点，牵索塔式平台比导管架平台、重力式平台更适 合于深水海域作业，它的应用范围在2 0 0 米至6 5 0 米。 ( 6 ) 张力腿式平台 张力腿式平台是利用绷紧状态下的锚索产生的拉力与平台的剩余浮力相平衡的钻 周煜：白升式海洋平台设计方案评价体系研究 井平台或生产平台。 张力腿式平台也是采用锚泊定位的，但与一般半潜式平台不同。其所用锚索绷紧成 直线，不是悬垂曲线，钢索的下端与水底是不相切的，而是几乎垂直的。用的是桩锚( 即 打入水底的桩为锚) 或重力式锚( 重块) 等，不是一般容易起放的抓锚。张力腿式平台 的重力小于浮力，所相差的力量可依靠锚索向下的拉力来补偿，而且此拉力应该大于由 波浪产生的力，使锚索上经常有向下的拉力，起着绷紧平台的作用。张力腿式平台自 1 9 5 4 年提出设想以来，已经有5 0 多年的历史了。 作用于张力腿式平台上的各种力并不是稳定不变的。在重力方面会因为载荷与压载 水的改变而变化；浮力方面会因为波浪峰谷的变化而增减；扰动力方面因风浪的扰动会 在垂向与水平方向产生周期变化，所以张力腿的设计，必须周密考虑不同的载荷与海况。 对于平台的水下构件，不论垂向或水平的，都会因波浪的波峰与波谷的作用而产生影响， 因此如何选取水下构件的形状与尺度，使得波浪扰动力的作用为最小，减小平台在波浪 中的运动以及锚索上的周期性载荷，是张力腿式平台的研究课题之一。一般张力腿式平 台的重心高、浮心低，非锚泊情况下要求初稳性高为正值，为此要求稳心半径大或水线 面的惯性矩大，这样在平台发生严重事故的时候，仍能正浮于水面。要求达到此目的， 就要把立柱设计得较粗，这样必然会使平台在波浪中的运动响应较大。也有一种把立柱 设计得很细，虽然初稳性高可能出现负值，但在锚索拉力的作用下也是稳定的。这种平 台在波浪中的运动响应较小，造价也可能低些，不过安全性差些。口1 1 1 2 固定式海洋平台 固定式平台一般是平台固定一处不能整体移动。 ( 1 ) 混凝土重力式平台 这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础( 沉箱) ，用三个或四个空心的混凝 土立柱支撑着甲板结构，在平台底部的巨大基础中被分割为许多圆筒型的贮油舱和压载 舱，这种平台的重量可达数十万吨，正式依靠自身的巨大重量，平台直接置于海底。现 在已有大约2 0 座混凝土重力式平台用于北海。 ( 2 ) 钢质导管架式平台 钢质导管架式平台通过打桩的方法固定于海底，它是目前海上油田使用最泛的一种 平台。钢质导管架式平台自1 9 4 7 年第一次被用在墨西哥湾6 米水深的海域以来，发展 十分迅速，到1 9 7 8 年，其工作水深已达3 1 2 米。据报道，高度为4 8 6 米的巨型导管架 式平台将安置于墨西哥湾4 1 l 米水深的海域内。0 1 火连理f 人学硕十研究生学位论文 1 2 自升式海洋平台简介 白升式海洋平台可使用于不同土壤条件和较大的水深范围，移动灵活方便，因而得 到广泛应用。 1 2 1 自升式海洋平台的受力 自升式海洋平台是一个由船体( 平台) 和若干个起支撑作用的桩腿所组成。由于这 种平台在工作的全部过程中有多种不同的工作状态，各种状态下结构受力情况都不完全 相同，所咀在计算平台结构强度时就必须考虑各种不同的工作状态，才能保证安全。 通常情况下，平台的工作状态有五种： ( 1 ) 拖航状态 拖航是指整个平台从一个地点( 或井位) 转移到另一个地点( 或井位) 的航行状态， 这时候船体漂浮在海面上，桩腿升到船体之上，由于受到风浪的作用，船体也将如船舶 一样产生摇摆运动。这时船体受到重力、浮力、波浪力和惯性力的作用，同时在桩腿部 的固桩处就将受到很大的动弯矩作用，对于深水自升式海洋平台，由于桩腿很长，桩腿 根部的固桩处就将受到很大的作用力，当船体的纵摇或横摇的角度较大时桩腿因倾斜又 对根部产生很大的桩腿重力作用。 ( 2 ) 放桩和提桩状态 放桩是指桩腿向海底下放，提桩是指桩腿拔出海底之后向上提升，这时船体浮在海 面上，在放桩和提桩的过程中，当桩腿未与海底接触但船体在风浪作用下发生摇摆时， 桩腿也随着摇摆使桩腿上部( 接近船体底部) 受到较大的动弯矩：当船体在风浪作用下 产生的升沉运动而使桩腿和海底发生碰撞时，桩腿根部也将产生很大的动应力。 ( 3 ) 插桩和拔桩状态 插桩式平台在插桩时桩腿将承受升降机构的下降力、桩腿土壤反力和桩周摩擦力的 作用。 拔桩时桩腿承受升降机构提升力、桩端粘结力以及桩周摩擦力的作用，若在淤泥中 还有桩端部淤泥吸附力的作用。在拔桩过程中，当桩腿拔出海底的速度过快也可能出现 桩腿端部与海底碰撞的现象。 ( 4 ) 桩腿预压状态 桩腿预压是将桩腿下面地基的承载力预先压到暴风状态时所要求的地基承载力，以 防止桩腿出现不均匀下沉，造成平台倾斜和倾覆事故的发生。 对于矩形的自升式海洋平台采用对角线预压方式，即先由某个对角线方向上的桩腿 周煜：臼升式海洋平台设计方案评价体系研究 升降机构作升船运动，而另两个对角线方向的桩腿升降机构松开，此时船体的全部重量 由预压的两桩腿承担，使土壤承受压缩，然后再将另两个桩腿做升船运动，原先两个桩 腿放松，这样轮换对角线预压，直至达到规定的预压载荷桩腿不再下沉为止。这种预压 方式，对桩腿而言将承受最大的轴向预压载荷，大约为正常工作载荷的1 6 到2 0 倍： 对船体而言，就相当于支撑在对角线桩腿上，平台上的重力载荷使船体产生弯曲和扭曲 变形。 对于三角形的自升式海洋平台一般是用压载舱加载方法预压，使三个桩腿同时承受 船体的全部重量和压载重量，这时船体相当于三点支撑，没有扭曲变形的问题。 ( 5 ) 着底状态 着底状态包括满载风暴自存和满载作业两种状态。一般情况下，满载风暴自存时桩 腿所受的外力比满载作业状态时大，所以通常平台就以满载风暴自存状态进行设计。 平台船体被桩腿支撑在海面之上时，船体上的甲板载荷和风力将通过桩腿传递到海 底，这时候桩腿将受到风力、波浪力、潮流力、平台重力和地基反力的作用。由于桩腿 比较长，平台结构在载荷的作用下产生的侧向位移还将使桩腿受到不可忽视的重量偏心 力矩。 1 22 自升式海洋平台结构 自升式海洋平台由平台主体、桩腿和升降装置组成。 ( 1 ) 平台主体 位于平台上部的平台主体主要提供生产和生活场所，并能在拖航时提供浮力。平台 主体的平面形状，常用的有三角形、矩形、五角形。 自升式海洋平台主体通常是一个单甲板箱形结构，这个箱形结构有单底结构，也有 双底结构，其主体是一个三角形、矩形或五角形的船体结构。根据作业、生活、布置及 强度的要求，设有纵、横舱壁。因整个平台载荷由桩腿承担，因此船体在桩腿间连线方 向须设计成强承载结构，自升式海洋平台结构强承载结构有两种形式，一种是箱形结构， 由上部平台甲板板架与底部平面板架、两道桩腿连线方向舱壁板架( 其扶强材一般为水 平布置) 组成一个封闭箱形结构；一种为板桁材结构，由上部平台甲板、底部平面和一 个桩腿连线方向的舱壁组成一个“工”字形板桁材结构。 根据甲板形状及桩腿的布置情况，矩形甲板四桩腿采用箱形强承载结构较多，三角 形、五角形可采用板桁材或者箱形，或箱形与板桁材的混合式。普通船体总纵强度是沿 纵向，而平台的强度则主要考虑桩腿间，因此必须在桩腿间采用箱形结构或其他形式强 承载结构。 人连理i ：人学硕士研究生学位论文 由于自升式海洋平台主体结构是一个船体结构，因此其主要结构形式与船体结构很 相似，船体各层甲板、底部与舱壁都由板架组成。板架中的桁材布置一般要与强承载构 件的布置方向一致，以增加其强度，即与桩腿的连线方向一致，例如四桩腿的矩形平台， 其桁材沿横向、纵向正交布置。 除矩形方驳船体外，亦广泛采用三角形船体。建造三角形船体，不必采用上述的布 置形式( 即纵式、横式或者纵横混合式) 。因一般的纵横结构系统，会使主隔壁、桁材 和加强骨材，都在一个方向上，与装置中心线平行，或者横对中心线。这样。就使得一 些横舱壁不得不特别加强，而另外一些横隔壁却又不承受剪力载荷。同时由于加强骨材 的方向与通过平台传递力的方向成斜角多为3 0 度或者6 0 度，因此，在总强度计算时， 加强骨材的总截面面积只能有部分起作用，所以这样就要求更厚的钢板。 ( 2 ) 桩腿结构 桩腿数目 早期的自升式海洋平台的桩腿数目很多，有的多达1 4 条。由于现代技术的采用、 升降机的能力增大、高强度钢的应用，桩腿以四条和三条的居多，发展趋势是三条腿。 桩腿数量影响自升式海洋平台的造价和工作性能。桩腿数目越多，受到的波浪力越大， 升降机构、固桩装置和桩靴的数目增加，成本增高。三条腿是支撑平台最少的数目，这 种平台还有一个特点，就是桩腿的反力能够在没有固桩时能够较准确的地计算出来。这 对操作人员很重要，因为每次变化载荷之前，必须算出桩腿的反力，以保证升降机构不 至于超负荷。对于带沉垫的桩腿调整一致，要求很严格，而三条腿的调整工作量最小。 这种平台的缺点是不能像四条腿那样对角预压，只能用压载水舱进行预压，因而增加压 载舱。另外，如遇地形、地质复杂等原因导致一条腿失事时，则易造成整个平台的失事。 当海底地层条件比较复杂，或当三条腿不能满足平台升降的要求可用四条腿；当三 条腿的刚性满足不了要求，为增加刚性、减小平台侧向位移时也可采用四条腿。 桩腿的主要受力 桩腿的作用是支撑平台在海上作业，并将平台所受的全部载荷传递到海底。 桩腿一般要承担及传递轴向及水平载荷，弯曲力矩及升降过程中的局部载荷。 桩腿的主要形式 桩腿结构有独立式桩腿，有沉垫式桩腿，也有结合式桩腿。独立式桩腿是各自独立 的桩腿直接作用于海底。沉垫式桩腿则是所有桩腿下部与一个或两个整体沉垫相连，沉 周煜：白升式海洋平台殴计方案评价体系研究 垫着沉海底。结合式桩腿则是沉垫与穿过的桩腿结合。 每种桩腿都布置有传动装置所需要的齿块或销孔或齿条，这些分别由升降机构的不 同情况决定。 桩腿形式主要根据工作水深、海底地基、升降机构的不同情况决定。 独立式桩腿主体结构 独立式桩腿有壳体式与桁架式。 壳体式桩腿一般用于工作水深在6 0 m 一7 0 m 以下，再深则需要增大桩腿尺寸，导致更 大波浪载荷使结构重量加大。因此，深度再增加，一般采用桁架式桩腿。 ( i ) 壳体式桩腿结构 壳体式桩腿有骨架式和无骨架式两种形式，有骨架式结构是由壳板与纵向、环向加 强筋组成封闭式结构，其横剖面多为圆形和方形，加强筋为内部布置，主要考虑纵向( 垂 向) 强度，因此纵向( 垂向) 骨架较强。加强筋的尺寸与数量由强度条件决定。无骨架 式仅用于尺寸较小的桩腿。 由于升降方式的不同，壳体式桩腿分别布置与升降装置相配合的销孔、齿块、齿条。 这些结构一般布置在纵筋处，或特别加强，以保证其局部强度。桩腿带有销孔，以备升 降时销子插入。齿块与旋转销配合，齿条则与升降装置的齿轮配合，完成平台升降。 小直径的装有齿条的壳体式结构，也可采用锻( 铸 与焊接结构结合的混合式壳体 结构。 ( i i ) 桁架式桩脚结构 桁架式桩腿结构由弦杆、水平撑杆、斜撑杆组成。组成桁架的杆件可以是管材， 也可以是各种型材。桁架的横截面形状一般是三角形、正方形，也可以是其他形状。桁 架式桩腿一般采用齿条式传动，因此桁架的弦杆上都装有齿条。弦杆有圆形、方形和三 角形。齿条有外齿条、内齿条两种布置形式。对弦杆的波浪拖曳力研究的结果表明，三 角形和正方形的阻力最大，圆形的阻力最小。假定不带齿条的圆形弦杆的拖曳力为l ， 则三角形和正方形单排齿条的弦杆为2 5 3 0 ，圆形双排齿条弦杆为1 8 2 0 ，圆形单 排齿条弦杆为1 6 、1 7 ，而装在圆形管内的单排齿条则为1 2 1 3 。 ( ii i ) 桁架式桩腿结构 实际上桩脚有两部分，我们上面所说的桩腿是桩脚的上部，也称桩身。这一部分 要考虑强度及与升降机构的配合，其下部布结构也称桩底或桩脚，主要根据海底地 貌、土质情况设计各种形状的结构形式，主要形式有桩靴和沉垫。 桩靴结构：桩靴的形式较多，对于软硬的海底，桩靴设计成较小支撑面，甚至略带 8 夫连理一大学硕士研究生学位论文 锥形：对较弱海底，脚箱设计成较大的支撑面，其原则是即使桩腿支撑稳固，又不要下 陷太深而使拔桩困难，桩靴平面形状多为圆形、矩形、三角形、多边形等。 沉垫结构：沉垫式桩脚的主体部分上部与独立式桩腿壳体式一样，只是端部不同。 沉挚式桩腿端部结构是将桩腿的下端连接在一个共同的沉垫上，由于其支撑面积较大， 故适用较软地基，但如果地基是淤泥，在大风浪下又易于滑动，也不适合。沉垫的形状 要与甲板形状、桩腿布置相配合，既要保证连接所有桩腿又要尽可能使沉垫形状简单、 易于建造，沉垫平面采用矩形及矩形组合体较多，也有采取与甲板形状相似平面。自升 式海洋平台的沉垫结构也是一个水密箱体结构，其内部结构形式与前面提到的船体及沉 垫内部结构形式相似。 ( 3 ) 升降机构 升降装置常用的有液压式和电动齿轮齿条式。 液压式升降装置 它是利用液压缸中活塞杆的伸缩带动环梁( 或横梁) 上下运动，用锁销将环梁( 或 横梁) 和桩腿锁紧使桩腿升降。升降装置由液压系统、环梁( 或横梁) 、插销( 或旋转 销) 以及桩腿上的销孔( 或齿块) 等部分互相配合完成平台升降动作。 电动齿轮齿条式升降装置 电动齿轮齿条式升降装置通常用于桁架式桩腿及小直径壳体式桩腿，它由电动机经 过减速机构带动齿轮转动，使齿轮与桩腿上的齿条啮合而完成平台主体与桩腿的相对运 动。当电动机处于制动状态时，则可把平台主体固定于桩腿的某一位置。在升降装置的 齿轮架的上面和下面还设有缓冲垫，以缓和力的冲击作用( 例如桩腿与海底碰撞的力) 。 z 1 【6 1 1 2 3 自升式海洋平台结构及作业特点 自升式海洋平台可以简单地描述为由一个平台主体和数个桩腿以及升降机构所组 成的海上平台。自升式海洋平台的结构及作业特点可以概括如下： ( 1 ) 作业环境的移动性：即自升式海洋平台具备能够在不同海域、不同水深以及不同 方位进行作业的能力。这个特点决定了相应的研究工作必须与具体工作海域情况紧密联 系。 ( 2 ) 作业状态的多变性：对自升式海洋平台而言，一个完整的操作过程包括拖航、预 压、升降、正常作业、风暴自存等多种不同的工作状态。在不同作业状态下平台具有不 周煜：自升式海洋平台瑷计方案评价体系研究 同的行为特点，例如，拖航工况下的自升式海洋平台具备结构的漂浮性能。而在正常作 业状态下，稳固性是一个重要性能。 ( 3 ) 动力敏感性：由于自升式海洋平台属于细长柔性结构，其固有周期比较接近多数 海浪的周期范围，于是发生结构共振的可能性较大。在这种条件下，平台对环境载荷的 响应表现出明显的动力性。在中等水深或者恶劣海况条件下，出波浪引起的结构惯性力 而导致的动力响应对结构整体响应的贡献不容忽视。 ( 4 ) 非线性：主要表现为以下几个方面：海浪对自升式海洋平台拖曳力作用，基础与 桩靴之间相互作用以及桩腿与平台船体甲板联接处的相互作用等。 上述这些特点对自升式海洋平台设计及使用性能影响很大，同时也是开展相关研究 工作的重要依据。【2 1 1 3 国内外研究概况及发展趋势 1 3 1 自升式海洋平台的发展趋势 第一座自升式钻井平台“德朗1 号”，建于1 9 5 0 年，但到1 9 5 3 年成了一座永久性 的固定式平台。第一座移动自升式钻井平台是1 9 5 4 年建的“滨海5 1 号”。1 9 5 4 年建的 “嘎斯先生i 号”是提升甲板式的自升式海洋平台。1 9 5 5 年建造了第一座三腿自升式钻 井平台“天蝎号”，首次在桁架式桩腿上使用了齿条和齿轮升降系统。1 9 5 6 年滨海公司 的5 4 号钻井平台在桁架式桩腿上使用液压升降系统。1 9 5 7 年建的“嘎斯先生i i 号”开 始用液压升降系统的沉垫支承式装置。1 9 6 7 年建的“德莱塞i 号”开始具有自定位功能。 到1 9 7 4 年移动自升式钻井平台就能在1 0 5 米的水深作业。 在6 0 年代以前，早期的自升式海洋平台采用的是圆柱形桩腿，由液压升降装置控 制升降；另一种桩腿截面形状为三角形或方形的非封闭式结构，由齿轮齿条式升降装置 或插销式液压升降装置控制升降。到1 9 6 0 年，大约有3 0 座自升式海洋平台在使用中， 最大工作水深约5 0 6 0 米。 6 0 年代，自升式海洋平台不仅在数量上是以前的4 倍，而且得到了不断的改进。发 展了倾斜式桩腿以改善深水中的抗倾稳性。有一座平台采用了自推进装置以改善机动 性，还建造了一些小型的自升式海洋平台与钻井供应船配套使用，目的在于降低钴并费 用。随着工作水深的增加，桩腿长度越来越大，结构和漂浮稳定性问题随之出现，平台 在海上的就位问题也更加严重。于是，改进主体对桩腿的支持、提高桩腿升降速度成为 设计中追切需要解决的问题。到6 0 年代末，自升式海洋平台的工作水深已达到9 1 4 4 米( 3 0 0 英尺) 。 大连理1 大学硕士研究生学位论文 在7 0 年代，为了满足全世界勘探的需要，自升式海洋平台的数量迅速增加。到7 0 年代末期，自升式海洋平台占到移动式钻井装置的总数的一半。7 0 年代的发展还包括： 较大的工作水深( 3 5 0 英尺，即1 0 6 7 米) ；研制出悬臂梁式平台，可以悬伸到固定平台 上面钻生产井；能经受更恶劣的环境条件；采用了高强度材料制造桩腿等。 自升式海洋平台在7 0 年代后期已经趋于成熟。应用计算机程序设计出来的平台， 其性能指标己达到高水平。例如，b a k e rm a r i n e 公司下属的e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g y a n a l y s i si n c 公司设计的e t a 欧洲级、亚洲级及美洲级自升式海洋平台，其中e t a 美洲 级平台在飓风季节的最大作业水深为1 1 6 米，其他季节为t s t 米；钻井深度为9 4 4 米； 甲板可变载荷达到5 0 0 0 吨。 据r i g z o n e 网站的介绍，截止2 0 0 2 年底，全世界共有可移动钻井装置6 5 5 座，主 要在墨西哥湾、西非、北海、拉丁美洲、中东等海域，其中自升式海洋平台3 9 7 座，半 潜式平台1 7 7 座，钻井船9 1 艘。钻井装置的使用率在7 5 左右。 在这些海洋平台当中，2 0 世纪5 0 6 0 年代建造的自升式钻井平台仍有9 座没有报废， 7 0 年代建造的有1 1 3 座，8 0 年代建造的有2 4 2 座，这2 0 年建造的自升式海洋平台的数 量占目前总数的9 0 ，是自升式海洋平台建造的黄金时间，当然现在这些平台大都进行 了升级改造，在海洋钻井业中占主导地位。9 0 年代建造了1 7 座自升式钻井平台，进入 2 l 世纪仍建造了1 2 座，目前还有6 座正在建造中。 随着平台的优化设计，泥浆泵性能、钻机绞车能力的提高及上世纪8 0 年代初开发成 功的顶部驱动的应用，海上可移动装置的钻井深度得到大幅度提升。世界范围内自升式 钻井平台有1 6 2 座装有7 6 2 0 米钻深的钻机。 自升式钻井平台由于桩腿长度的限制，工作水深也不可能很深。从现有资料可看出， 世界范围有3 l 座自升式钻井平台工作水深达n l o o 米以上，其他的工作水深基本上在1 0 0 米以内，r o w a n 公司c 。m 。c a l m e r2 号自升式钻井平台工作水深达9 1 4 4 米，是目前自升式 钻井平台世界之最。 自升式钻井平台有1 0 4 座可变载荷超2 0 0 0 吨，其中2 9 座达3 0 0 0 多吨，r o w a ng o r i l l a v i i 号达6 7 7 1 吨。”1 “ 1 3 2 海上可移动钻井装置的发展展望 由于世界各国对能源的需求不断地增加和对环境保护的加强，及海上可移动装置向 恶劣的深水区发展，其作业水深、钻井能力、可变载荷将进一步加深、加强、加大，安 全性能也将提高。升级改造现有平台和建造技术性能更强的新型平台是目前海上可移动 装置的主要发展趋势。 周煜：自升式海洋平台设计方案评价体系研究 ( 1 ) 适于恶劣环境的超高级自升式钻井平台 韩 h y u n d a i 重工业公司正在制造世界上最大和最先进的超恶劣环境自升式钻并平 台。新船的工作水深为1 4 7 6 米，既可以进行常规水面完井，也可以钻海底井。装备有联 合防喷器管组，兼有水面和水下两种工作方式。悬臂从船尾到井口中心的距离为2 7 米， 到每侧的最大距离为9 7 5 米。甲板面积为1 4 9 0 平方米。其它特点为： 两条管材装备线； 更高的井架可以安装于下入四节立柱： 脱机装配套管和油管： 双泥浆循环系统，可以随时变换泥浆类型； 装备全套泥浆净化设备； 全部零排放设备超过所有已知的要求。预计新设计的效率至少提高2 5 。 ( 2 ) 海上可移动钻井装置设备和技术的升级改造 钻井更深的地层，开发深部天然气已经成为石油工业发展的新阶段，因此钻井公司 正在使自己的钻井装置能够在这种深度钻进。2 0 0 2 年列出的海上可移动钻井装置制造和 升级达1 0 0 座，其中6 1 座为自升式，3 2 座为半潜式，7 艘为钻井船。钻井装置的技术升级 项目包括： 增加作业水深能力： 增加泥浆泵数量； 井架加固； 隔水管等级提高与延长； 安装自动化设备； 增加可变甲板载荷； 改善居住环境； 增加储放钻井液的体积； 加装超深水作业动力定位装置。 ( 3 ) 利用自升式和半潜式钻井平台安装采油结构 随着各种规章的增多，海上可移动钴并装置正在用于钻井以外的作业。自于 式钻井 平台正用来安装采油井口，新的半潜式钻井船正用在深水海域建设，支撑以降低开发工 程建设成本。海上可移动钻井装置还可以用来安装海底底盘和管汇等，从技术上来说， 它们可以有效地进行管道安装，潜水作业，报废平台的拆除以及当前所有专用建筑船所 人连理二 大学硕十研究生学位论文 进行的一切工作。钻井装置进行安装工作可提供相当多的优点如成本降低、工作进程加 速和灵活并且减少风险。1 1 4 移动式钻井平台稳性概述 目前，用于海洋石油开发的移动式钻井平台主要有四种类型：坐底式平台、自升式 海洋平台、半潜式平台和钻井船( 或钻井驳船) 。后者的浮性及稳性计算与普通船舶完 全一样；前三种类型的平台在使用要求、结构特征及性能方面与普通船舶有相当差别， 故浮性及稳性的具体计算方法也有所不同。 自升式海洋平台的船体剖面形状一般为矩形，甲板平面为矩形或者多边形。半潜式 平台的船体一般由截头棱锥( 柱) 体装配而成。 移动式钻井平台的稳性校核计算和船舶比较，有以下的特点： ( 1 ) 钻井平台一般由规则构件组成，这些构件在水线下的体积和体积形心可以方便 地求得，因此有关钻井平台的浮性和稳性计算比较简便。 ( 2 ) 由于平台的纵向和横向尺寸比较接近，倾斜翻覆的可能方向就比较难于确定， 因此在稳性校核计算中，需校核计算沿各方向倾斜时的稳性状况，以找出最危险的倾斜 方向。 ( 3 ) 由于移动式钻井平台必须长期在海上工作，遇到的风浪情况更加恶劣，因此对 稳性的要求就比较高。 1 5 论文的课题背景与意义 1 5 1 课题所属研究领域 本论文的研究领域属于船舶与海洋c a d 系统计算机技术应用研究领域。 1 5 2 课题的理论意义和应用价值 课题的理论意义： 本研究基于s n a m e 提供的评价海洋平台设计方案可行性评价体系，建立了完整的 方案评价方法，开发了计算机软件实现评价方法，为同类海洋平台方案设计的可行性评 价提供评价软件工具和参考。 课题的应用价值： 首先，对辽河一号自升式钻井平台设计方案的评价有较高的应用价值。 辽河滩海勘探区位于辽东湾北部，东经1 2 0 。5 4 1 2 2 。1 8 ，北纬4 0 。2 0 周煜：自升式海洋平台设计方案评价体系研究 4 1 9 o o ，隶属辽宁省范围，地域范围西起葫芦岛，东至鲅鱼圈连线以北，海图水深5 米以内的滩海地区。由陆滩、海滩、潮间带和极浅海四部分组成，海岸线长约3 4 0 千米， 矿产登记面积为3 4 7 5 平方千米，其中，陆滩范围7 0 1 平方千米，海滩1 0 0 0 平方千米， 潮i 训带7 3 6 平方千米，极浅海1 0 3 8 平方千米。实际开展勘探的面积约为2 1 4 1 平方千米。 辽河油田油气储量丰富，已经探明的控制储量只占资源总量的2 0 ，因此具有广阔的勘 探领域和很大的勘测潜力，是辽河油田“十五”期间乃至以后主要的产